Древнегреческий мыслитель Аристотель утверждал, что природа не терпит пустоты. К такому мнению он пришёл, наблюдая, как жидкость или газ упорно заполняет пространство под поршнем. Ах, если бы философ тогда сделал поршневой насос высотой хотя бы 12 метров, то он бы наверно придумал другое объяснение, и нам не пришлось бы его опровергать. Но поскольку для нас истина дороже, чем дружба с Аристотелем, то попробуем восстановить истину.
Правда заключается в том, что в природе вообще не существует пустоты. Ну, нет её и всё тут, потому что быть не может по определению.
Что такое пустота? Это часть какого-то пространства ничем не заполненного, совершенно ничем!
– Можете привести пример такого пространства?
– Думаю, что нет.
Когда мы говорим, что комната пустая, то подразумеваем что?
– Правильно, имеем в виду то, что в комнате отсутствуют люди.
– Пустое ли на самом деле помещение?
– Конечно же, нет. Там есть мебель, какие-то вещи, в конце концов, пространство заполнено воздухом.
– А как насчёт космоса, ведь там воздуха нет,– значит, пустота?
– Если нет воздуха, то это не означает, что там вообще нет материи. Межзвёздное пространство заполнено различным излучением, включая кванты света, потоками элементарных частиц, например, нейтрино и ещё много чем, о чём мы можем даже не подозревать. Поэтому физики говорят не о пустоте, а о космическом вакууме, что далеко не одно и то же.
Если пустоты не существует, тогда почему жидкость или газ заполняет пространство под поршнем насоса? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим такое понятие как давление.
Давление твёрдых тел
Если какое-то твёрдое тело расположено на опоре, то оно имеет вес mq, то есть оно действует на площадку, с которой контактирует, с слой, равной его весу: F = mq. Отношение этой силы к площади, на которую она действует, называется давлением.
От чего зависит давление твёрдого тела можно понять из формулы. Во-первых, давление прямо пропорционально приложенной силе, а во-вторых, оно обратно пропорционально площади. Это значит, что если сила возрастает в несколько раз, то, при тех же условиях, увеличивается в столько же раз и давление.
При увеличении площади – давление уменьшается, и наоборот, при её уменьшении – давление увеличивается. То есть, регулируя площадь основания тела, мы можем увеличить или уменьшить давление, вызванное одной и той же силой. На практике это часто используют. Например, чтобы нож легко разрезал овощи, его лезвие тщательно затачивают. Другими словами, уменьшают площадь той части лезвия, которая контактирует с предметом, который необходимо разрезать. При этом прилагаемые усилия при резке будут минимальными.
Другой пример: ходить по снегу легче на лыжах, потому что площадь лыж в несколько раз превышает площадь подошвы обуви. При неизменной силе тяжести, действующей на человека, давление лыжника на снег в несколько раз меньше, чем пешехода.
Давление измеряется в паскалях. 1 Па = 1Н/1кв. м
Давление в жидкостях и газах
Жидкости не имеют формы, но принимают форму сосуда, в которых они налиты. Разумеется, жидкость имеет вес, поэтому она будет давить на дно сосуда. Это давление будет равно отношению силы тяжести к площади дна. Силу тяжести можно для жидкости можно рассчитать по формуле: F =q p V, где p – удельный вес (для воды p =1000 кг/куб. м), V – объём.
Давит ли жидкость на стенки сосуда?
– Конечно, давит. Но по-особому. На одном и том же уровне давление одинаково, но на разных уровнях оно разное. Внизу оно больше, а вверху меньше.
Поскольку жидкости вещества текучие, то их вес распределяется по-особому – верхние слои давят на нижние, и так аж до дна. Чем выше столб жидкости – тем большее давление она оказывает. Это показывают расчёты. Для упрощения рассмотрим жидкость в сосуде, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда. Объём жидкости равен объёму параллелепипеда: V = S h, где S – площадь дна, а h – высота сосуда. По этой же формуле можно вычислить объём для сосуда с любой конфигурацией дна.
Вычисляем давление: P = F/S =qpV/S = qpSh/S = qph.
Если учесть, что q – постоянная, равна 9,8 Н/кг, а p для одной и той же жидкости не меняется, то приходим к интересному выводу: давление в жидкости зависит только от высоты столба (h), то есть только от уровня погружения в жидкость.
Обращу ваше внимание на ещё один интересный факт: если в закрытой ёмкости на жидкость подействует какая-то сила, то давление от этого действия распространится равномерно по всей жидкости. Эту закономерность впервые открыл Б. Паскаль, поэтому данный закон и общепринятую единицу измерения давления названо в честь его имени. 1 Па = 1Н/кв.м
Газы очень лёгкие, но они не невесомы. Поэтому все рассуждения, приведённые выше справедливы и для газов.
Атмосферное давление
Поскольку наша планета окружена атмосферой, состоящей из различных газов, то она оказывает давление на все предметы, в том числе и на нас. Это давление называют атмосферным. Оно зависит от двух факторов:
1. Высоты столба газов над поверхностью земли.
2. От погодных условий – температуры воздуха, его влажности.
Атмосферное давление на уровне моря, при прочих одинаковых условиях всегда больше чем давление в горах. Объясняется это просто – над уровнем моря выше столб атмосферного воздуха. Высокое атмосферное давление наблюдается в ясную погоду, а при приближении циклона давление воздуха снижается. По этим признакам можно прогнозировать погоду.
Нормальным считается атмосферное давление 730 мм ртутного столба. То есть такое давление, которое равняется давлению ртутного столба высотой 730 мм. Воздух под таким давлением способен раздавить пустую железнодорожную цистерну, если выкачать из неё всё содержимое и плотно закрыть.
Давление измеряют приборами, называемыми манометрами. Для измерения атмосферного давления используют барометр. Давление крови в организме человека измеряют тонометром – специальным прибором, сконструированном для этих целей.
Почему вода поднимается за поршнем насоса?
Теперь мы можем ответить на вопрос, мучивший Аристотеля – почему вода поднимается за поршнем насоса. Отнюдь не потому, что природа боится пустоты, как утверждал древнегреческий мыслитель. Дело в том, что на воду, как и на всё, что находится на земле, атмосфера оказывает давление. Когда поршень поднимается вверх, вода под давлением заполняет пространство под ним.
Наполните сосуд водой до краёв и плотно закройте его. Попробуйте набрать из этого сосуда воды шприцем, например, проколов им резиновую пробку. Вы убедитесь, что вода не заполнит пространство под поршнем шприца. И никакая пустота не заставит воду двигаться за поршнем. Но если в сосуде будет, хотя бы немного воздуха, опыт не провалится. Подумайте почему.
